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2012年,美国罗切斯特大学光学研究所的研究团队胜利研发出一种抗干扰的量子雷达,这种雷达使用光子的量子特性来对目的进行成像,由于任何物体在接收到光子信号之后都会改变其量子特性,所以这种雷达能容易探测到隐形飞机,并且几乎是不可被干扰的。该技术的原理与量子密钥分配加密技术比较类似,在窃听者试图改变量子特性时就会暴露自己的身分。

2012年,美国罗切斯特大学光学研究所的研究团队胜利研发出一种抗干扰的量子雷达,这种雷达使用光子的量子特性来对目的进行成像,由于任何物体在接收到光子信号之后都会改变其量子特性,所以这种雷达能容易探测到隐形飞机,并且几乎是不可被干扰的。该技术的原理与量子密钥分配加密技术比较类似,在窃听者试图改变量子特性时就会暴露自己的身分。

继自主研制的世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”胜利发射后,科学家在量子科学领域再传捷报。由电子科技集团第14研究所领衔研制的量子雷达取得突破性进展,完成了量子探测机理、目的散射特性研究以及量子探测原理的实验验证。2016年8月,电科首部基于单光子检测的量子雷达系统在14所研制胜利,抵达国际先进水平。

量子雷达是基于量子力学基本原理,主要依靠收发量子信号实现目的探测的一种新型雷达。量子雷达具有探测距离远、可识别和分辨隐身平台及武器系统等突出特性,未来可进一步应用于导弹防备和空间探测,具有极其广大的应用前景。作为洞察未来战场的“千里眼”,量子雷达技术势必掀起各军事强国变革雷达技术的时代潮流。

1原理

在本项研究中,工程师们使用新型侦测技术能够揭穿频率干扰等反制手段,来自纽约罗彻斯特大学的研究小组展示了如何通过光子的量子属性来获得先进的反隐身技术。对此,麻省理工学院的科学家议论认为这项新的侦测技术依赖于任何一个测量光子的行为总会摧毁它自身的量子特性,由此就可通过破坏原来光子的量子特征来重新仿照出虚假的光子属性,以抵达欺骗目的。

如果一架雷达隐形的飞机试图拦截这些光子并重新发送虚假信号,雷达回波仅相当于一只鸟的面积就能够掩盖自身的真实身分,但量子雷达在这一欺骗进程中也发现了敌方飞机的踪迹。这项新发明在技术工程上也有相似的运用,比如能够用类似的方式进行量子密钥加密,通过改变密钥的量子属性来抵达目的。来自罗彻斯特光学研究所的科学家梅胡尔·马利克(Mehul Malik)使用该技术对远程隐形轰炸机进行反射光子测验实验,测量反射信号的极化失误率。

2用途

研究人员计划未来用该技术于识别隐身作战飞机,当截获到敌方防空雷达信号时,将信号的量子特征进行修改,并主动形成一只鸟的信号发送往敌方雷达,这样似乎能够抵达传统的隐身目的,但新型量子雷达却很容易揭穿这一诡计。麻省理工学院的研究人员认为这是第一次使用量子力学研制的成像系统,结果是令人印象深刻的,能够不受到任何雷达干扰措施的影响。然而,量子侦测技术所需的设施能够由环球范围的实验室研制出来,但还没有装备到军队。

3量子雷达

上月,电科首部基于单光子检测的量子雷达系统在14所研制胜利。在科学技术大学、电科27所以及南京大学等协作单位的相同努力下,通过不懈的努力,完成了量子探测机理、目的散射特性研究以及量子探测原理的实验验证,并且在外场完成真实大气情况下目的探测验验,获得百公里级探测威力,探测灵敏度极大提高,指标均抵达预期效果。

量子雷达的分类

依据使用量子现象和光子发射机制的差别,量子雷达主要能够分为以下3个类别:

一是量子雷达发射纠缠的量子态电磁波。其探测进程为使用泵浦光子穿过(BBO)晶体,通过参量下转换发生大批纠缠光子对,各纠缠光子对之间的偏振态彼此正交,将纠缠的光子对分为探测光子和成像光子,成像光子保留在量子存储器中,探测光子由发射机发射经目的反射后,被量子雷达接收,依据探测光子和成像光子的纠缠关联可提高雷达的探测性能。与不采纳纠缠的量子雷达相比,采纳纠缠的量子雷达分辨率以二次方速率提高。

二是量子雷达发射非纠缠的量子态电磁波。发射机将纠缠光子对中的信号光子发射出去,“备份”光子保留在接收机中,如果目的将信号光子反射回来,那么通过对信号光子和“备份”光子的纠缠测量能够实现对目的的检测。

三是雷达发射经典态的电磁波。在接收机处使用量子增强检测技术以提升雷达系统的性能,当前,该技术在激光雷达技术中有着普遍的应用。中电14所实际上应用的是上述三种模式中的一种。

量子雷达的技术优势

当前,经典雷达存在一些缺点,一是发射功率大(几十千瓦),电磁泄漏大;二是反隐身能力相对较差;三是成像能力相对较弱;四是信号处置纷乱,实时性弱。针对经典雷达存在的技术难点,量子信息技术均存在肯定的技术优势,能够通过与经典雷达相结合,提升雷达的探测性能。

首先,量子信息技术中的信息载体为单个量子,信号的发生、调制和接收、检测的工具均为单个量子,因此整个接收系统具有极高的灵敏度,即量子接收系统的噪声基底极低,相比经典雷达的接收机,噪声基底能够降低若干个数量级。再疏忽工作频段、杂波和动态范围等实现因素,则雷达作用距离能够大幅提升数倍甚至数十倍。从而大大提升雷达应付微弱目的,甚至隐身目的的探测能力。

其次,量子信息技术中的调制工具为量子态,相比较经典雷达的信息调制工具,量子态能够表征量子“涨落变化”等微观信息,具有比经典时、频、极化等更加高阶的信息,即调制信息维度更高。从信息论角度动身,通过对高维信息的操作,能够猎取更多的性能。应付目的探测而言,通过高阶信息调制,能够在不影响积存得益的前提下,进一步压低噪声基底,从而提升噪声中微弱目的检测的能力;从信号分析角度动身,通过对信号进行量子高阶微观调制,使得传统信号分析方法难以精确提取征收信号中调制的信息,从而提升在电子抵抗情况下的抗侦听能力。综合而言,通过量子信息技术的引入,通过量子化接收,原理上能够有效降低接收信号中的噪声基底功率;通过量子态调制,原理上能够增加信息处置的维度,一方面能够提升信噪比得益,另一方面能够降低发射信号被精确分析和复制的可能性,从而在目的探测和电子抵抗领域具有广大的应用潜力。

 
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词条标签: 量子雷达  光子信号  侦测技术 
 
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